黑水虻養(yǎng)殖裝置翻轉(zhuǎn)器的優(yōu)化設(shè)計

■李慧琴 劉存祥 郭藝豪 段留奎 王佳兵

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002)

黑水虻是一種優(yōu)質(zhì)的蛋白飼料原料，黑水虻飼料營養(yǎng)成分全面，其價值與鮮魚、魚粉及肉骨粉相近甚至略高[1]。使用后，動物免疫力增強(qiáng)，生長速度加快并且增肉系數(shù)更低，節(jié)省飼料。黑水虻幼蟲便于人工飼養(yǎng)，他的飼養(yǎng)簡單易管理、食物廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)出率高、省工省時[2]。幼蟲的飼養(yǎng)物料主要使用動物的糞便、剩菜剩飯和腐爛的蔬菜水果，一只幼蟲每天可分解2～3 kg腐敗物。幼蟲的成長環(huán)境需要通風(fēng)透氣，恒溫恒濕且幼蟲具有避光性，需要不定時對物料進(jìn)行翻轉(zhuǎn)疏松[3-4]。翻轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖物料的充分翻轉(zhuǎn)，是整個養(yǎng)殖裝置的核心部件。

本文簡述一種黑水虻幼蟲養(yǎng)殖裝置。可自動控制養(yǎng)殖區(qū)域的溫度和濕度；自動上料、卸料和翻轉(zhuǎn)物料；實(shí)現(xiàn)小規(guī)模養(yǎng)殖的自動化與高效化。本文采用ANSYS/LS-DYNA 分析方法，對此養(yǎng)殖裝置的關(guān)鍵部分翻轉(zhuǎn)器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對比研究兩種不同形狀翻轉(zhuǎn)器的工作過程，觀察其翻轉(zhuǎn)過程中物料的運(yùn)動與應(yīng)力變化。

1 翻轉(zhuǎn)裝置整體結(jié)構(gòu)

全自動黑水虻幼蟲養(yǎng)殖裝置由上卸料模塊、翻轉(zhuǎn)模塊和環(huán)境控制模塊三部分組成如圖1 所示。上卸料模塊實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)入和排出。翻轉(zhuǎn)模塊主要由翻轉(zhuǎn)器、電動推桿、支架結(jié)構(gòu)組成。翻轉(zhuǎn)器的周期移動將幼蟲處理后的物料從底部翻轉(zhuǎn)至物料表面，同時將未分解的物料翻轉(zhuǎn)至底部與幼蟲充分接觸。環(huán)境控制模塊主要由光源、溫度、濕度傳感器及通信單元組成。

圖1 黑水虻養(yǎng)殖裝置結(jié)構(gòu)

2 翻轉(zhuǎn)器的仿真

根據(jù)翻轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行翻轉(zhuǎn)器工作過程的仿真試驗(yàn)[5-10]，觀察翻轉(zhuǎn)器的穩(wěn)定、物料翻轉(zhuǎn)效果、應(yīng)力集中、幼蟲的損傷程度，最終得出結(jié)論為翻轉(zhuǎn)器的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

2.1 有限元模型的假設(shè)

針對翻轉(zhuǎn)器對物料的翻轉(zhuǎn)過程，提出以下有限元假設(shè)[11-12]：

①不考慮翻轉(zhuǎn)器的磨損與變形，假想為理想剛體材料。

②物料假設(shè)為質(zhì)地均勻的無限體積材料，其間無顆粒狀不均勻物質(zhì)。

③翻轉(zhuǎn)器運(yùn)動過程平穩(wěn)，速度恒定。

2.2 建立模型

翻轉(zhuǎn)器設(shè)計主要考慮兩個方面的因素，一是尺寸合理，可在養(yǎng)殖箱內(nèi)移動的同時對幼蟲的損傷最小；二是工作面曲線形狀合理，對物料翻轉(zhuǎn)良好的同時工作阻力小，消耗的功率最小。根據(jù)使用要求，在SOLIDWORKS中進(jìn)行建模，設(shè)計了兩種翻轉(zhuǎn)器模型，分別為鏟型翻轉(zhuǎn)器和鏵式犁翻轉(zhuǎn)器[13-15]，如圖2、圖3所示。

圖2 鏟型翻轉(zhuǎn)器模型

2.3 網(wǎng)格劃分

對翻轉(zhuǎn)器采用四面體網(wǎng)格劃分自動生成網(wǎng)格[16-17]。鏟形翻轉(zhuǎn)器模型共劃分網(wǎng)格51 626 個，其中翻轉(zhuǎn)器362個，物料模型51 264個，如圖4所示。鏵式犁形翻轉(zhuǎn)器模型共劃分網(wǎng)格36 178 個，其中翻轉(zhuǎn)器648 個，物料模型35 530個，如圖5所示。

圖3 犁型翻轉(zhuǎn)器模型

2.4 定義約束與施加工作條件

圖4 鏟型翻轉(zhuǎn)器網(wǎng)格劃分圖

對于此物料翻轉(zhuǎn)模型，使底部完全約束并使翻轉(zhuǎn)器只能沿翻轉(zhuǎn)方向前進(jìn)，分別約束物料底面的六個自由度和翻轉(zhuǎn)器的5 個自由度。本文使用有限的物料模型模擬較大的模型，對此在物料的三個非工作面施加無反射邊界條件，減少應(yīng)力波反射對仿真過程的影響[18-19]。選擇翻轉(zhuǎn)器的工作速度為3 m/s，選擇cm、g、μs單位制，即在280 000 μs完成整個翻轉(zhuǎn)過程。

2.5 定義材料

假設(shè)翻轉(zhuǎn)器為剛體[20]，主要參數(shù)如表1所示。

圖5 犁型翻轉(zhuǎn)器網(wǎng)格劃分圖

表1 翻轉(zhuǎn)器材料參數(shù)

物料與土壤性質(zhì)相似，但其黏度高于普通土壤，本文選用PLASTIC KINEMATIC(003)材料本構(gòu)模型[21]，其材料參數(shù)如圖6所示。

圖6 PLASTIC KINEMATIC(003)材料模型參數(shù)

2.6 定義約束

本接觸采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，將動摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，靜摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，根據(jù)仿真試驗(yàn)條件設(shè)定時間步長、終止時間等控制卡片參數(shù)。接觸屬性卡片如圖7所示。

2.7 餐廚垃圾模型確定

圖7 接觸屬性卡片

FHWA SOIL(147)模型仿真在翻轉(zhuǎn)初期，餐廚垃圾部分網(wǎng)格發(fā)生畸變，并且隨著時間的增加，網(wǎng)格畸變越來越嚴(yán)重，直至整個仿真模型發(fā)生破碎。DRUCKER PRAGER(193)模型仿真可模擬餐廚垃圾翻轉(zhuǎn)后的剩余模型效果。但由于此材料模型抗壓強(qiáng)度較大，允許的網(wǎng)格變塑性變形較小，在材料達(dá)到失效準(zhǔn)則時就被刪除，無法看到餐廚垃圾翻轉(zhuǎn)后的效果。PLASTIC KINEMATIC(003)模型仿真可有效的觀察到被翻轉(zhuǎn)餐廚垃圾的翻轉(zhuǎn)效果，驗(yàn)證受力狀況，具有良好的仿真效果。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 翻轉(zhuǎn)性能的比較

鏟型翻轉(zhuǎn)器不同時刻的翻轉(zhuǎn)效果如圖8所示，犁型翻轉(zhuǎn)器不同時刻翻轉(zhuǎn)效果如圖9 所示。兩種翻轉(zhuǎn)器都完成了對物料的剪切、抬高、扭轉(zhuǎn)、拋翻四步。不同之處在于鏟型翻轉(zhuǎn)器物料沿鏟面剪切滑移，鏟面形成兩面楔，對物料進(jìn)行橫向推動和翻轉(zhuǎn)，物料沿鏟面堆積，達(dá)到一定程度后大部分沿翻轉(zhuǎn)器上升，少部分從翻轉(zhuǎn)器側(cè)面滑失，容易形成堆積，影響翻轉(zhuǎn)器行進(jìn)速度，沒有達(dá)到均勻翻料的需要且對幼蟲的損傷嚴(yán)重。鏵犁形翻轉(zhuǎn)器物料沿犁鏵剪切滑移上升，由于犁鏵與犁壁的三面楔作用，物料到達(dá)犁壁后發(fā)生扭轉(zhuǎn)與拋翻，同時完成了抬高、側(cè)向推動與翻轉(zhuǎn)。因犁鏵設(shè)計與運(yùn)動方向具有一定的角度，故其切入和分離性能良好，物料被均勻拋翻在翻轉(zhuǎn)器運(yùn)動路線兩側(cè)，翻轉(zhuǎn)器行進(jìn)速度平穩(wěn)且對幼蟲損害極小，工作效果優(yōu)秀。

圖8 鏟型翻轉(zhuǎn)器翻轉(zhuǎn)過程

3.2 翻轉(zhuǎn)器受力分析

鏟型翻轉(zhuǎn)器應(yīng)力云圖如圖10 所示，從應(yīng)力云圖中可以看出，鏟型翻轉(zhuǎn)器在切入后，鏟面前方物料應(yīng)力逐漸集中，隨著物料堆積到達(dá)最大體積時應(yīng)力到達(dá)峰值，隨后瞬間降低，進(jìn)入下一個應(yīng)力周期。工作期間物料應(yīng)力變化較大，翻轉(zhuǎn)過程不穩(wěn)定，容易形成震動，對幼蟲損傷嚴(yán)重，對推桿剛度要求高。同時鏟子受力較大，磨損快，對材料要求高，工作條件惡劣。

圖9 犁型翻轉(zhuǎn)器翻轉(zhuǎn)過程

犁型翻轉(zhuǎn)器應(yīng)力云圖如圖11 所示，在犁形翻轉(zhuǎn)器應(yīng)力圖中，由于犁鏵的切入與分離作用，從進(jìn)入過程到穩(wěn)定工作過程應(yīng)力變化較為緩和，無明顯的周期性波動，翻轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)，不易出現(xiàn)震動，幼蟲生長環(huán)境穩(wěn)定。物料翻轉(zhuǎn)區(qū)域受力沿犁鏵分布均勻，無明顯應(yīng)力集中區(qū)。因此相同工作條件下受力相對鏟形翻轉(zhuǎn)器受力小，對電動推桿剛度要求小，對材料要求低，應(yīng)力集中幾率小，工作性能性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

通過對兩種翻轉(zhuǎn)器翻轉(zhuǎn)物料過程的實(shí)驗(yàn)仿真，分析其翻轉(zhuǎn)效果和應(yīng)力情況，得出了可靠的分析結(jié)果。鏟形翻轉(zhuǎn)器在工作行進(jìn)過程中不穩(wěn)定，接觸區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象且翻轉(zhuǎn)效果不佳，對幼蟲傷害嚴(yán)重。在滿足飼料翻轉(zhuǎn)效果和保護(hù)幼蟲的前提下，犁型翻轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，且應(yīng)力分布較均勻，承載能力更強(qiáng)，工作條件良好。本文對黑水虻養(yǎng)殖裝置的研發(fā)提供了可靠的數(shù)值結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)黑水虻生態(tài)無害化垃圾處理奠定了基礎(chǔ)。

圖10 鏟型翻轉(zhuǎn)器應(yīng)力云圖

圖11 犁型翻轉(zhuǎn)器應(yīng)力云圖